DE1058111B

DE1058111B - Anordnung zur Ankopplung einer Oberflaechenwellenleitung an eine koaxiale Speiseleitung

Info

Publication number: DE1058111B
Application number: DEG22517A
Authority: DE
Inventors: Dr Georg Johann Ernst Goubau
Original assignee: GEORG JOHANN ERNST GOUBAU DR
Current assignee: GEORG JOHANN ERNST GOUBAU DR
Priority date: 1956-07-13
Filing date: 1957-07-11
Publication date: 1959-05-27
Also published as: US2921277A; FR1180731A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ankopplung einer Obernachenwellenleitung an eine koaxiale Speiseleitung, im besonderen auf eine Ankopplungsvorrichtung hohen Wirkungsgrades. Für die Ankopplung wird dabei von koaxialen Resonatoren Gebrauch gemacht, indem ein zylindrisches" Anregungs- oder Empfangsfeld erzeugt wird, das bezüglich seines Querschnittes und seiner Schwingungsform der Oberflächenleitung entspricht.

Um die Wellenform in dem koaxialen Leiter in eine Oberflächenwelle zu überführen, ist bereits eine bestimmte Formgebung und Anbringung von Isoliermaterial außerhalb des Koaxialsystems bekannt. Diese Vorkehrungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß nur eine unzureichende Anpassung erzielt wird und auch durch die Abstrahlung an der Verbindungsstelle eine ungünstige Dämpfung eintritt.

Bei einer anderen bekannten Anordnung wird der Übergang von der koaxialen Speiseleitung zur Oberflächenwellenleitung über einen kegelförmigen Feldraum vermittelt, in welchem eine stetige Transformation des Feldes der koaxialen Welle in das der Oberflächenwelle stattfindet. Diese Transformation wird durch graduelle Feldenveiterung erzielt. Der Querschnitt des kegelförmigen Feldraumes stimmt dabei an seinem abgestuften Ende im wesentlichen mit dem Querschnitt der koaxialen Speiseleitung überein, so daß sich die koaxiale Welle in den kegelförmigen Raum hinein fortsetzt, wobei an die kegelförmige Erweiterung ein zylindrischer Abschnitt angesetzt sein kann, der über den ganzen Querschnitt angekoppelt ist.

Bei einer Anordnung zur Ankopplung einer Oberfiächenwellenleitung an eine koaxiale Speiseleitung, deren Übergang zur Obernachenwellenleitung durch Zwischenschaltung eines im wesentlichen zylindrischen Feldraumes erfolgt, erstrecken sich erfindungsgemäß die Kopplungsbereiche des zylindrischen Feldraumes mit der Speiseleitung nur über einen kleinen Teil des Querschnitts dieses zylindrischen Raumes. Eine solche Ausbildung schafft die Voraussetzung dafür, daß der zylindrische Feldraum durch eine koaxiale Leiteranordnung gebildet werden kann, deren Innenleiter mit dem Oberflächenwellenleiter identisch ist und deren Außenleiter einen so großen Durchmesser hat, daß die Grundwelle des zylindrischen Raumes angenähert mit der Oberflächenwelle übereinstimmt. Außerdem kann die Kopplung des zylindrischen Feldraumes mit der Oberflächenwellenleitung und der Speiseleitung in einer solchen Weise erfolgen, daß sich praktisch nur die Grundwelle in diesem Raum ausbildet.

Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnung erläutert.

Anordnung zur Ankopplung
einer Oberflächenwellenleitung
an eine koaxiale Speiseleitung

Anmelder:

Dr. Georg Johann Ernst Goubau,
Eaton Town, Ν. J. (V. St. A.)

Vertreter : Dipl.-Ing. Η. v. Schumann, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 5

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 13. Juli 1956

Dr. Georg Johann Ernst Goubau,

Eaton Town, Ν. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine koaxiale Ankopplungsanordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung von Fig. 1;

Fig. 3 und 4 zeigen Beispiele von transparenten Wänden, die an Stelle der transparenten Wände 4 und 5 der Fig. 1 und 2 benutzt werden können;

Fig. 5 zeigt eine koaxiale Hohlrohranordnung mit einer für Wellentypen selektiven Ankopplung an eine koaxiale Leitung;

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung einer koaxialen Hohlrohranordnung;

Fig,. 7 zeigt eine weitere Ausführung einer koaxialen Hohlrohranordnung.

Die im folgenden beschriebene Ankopplungsanordnung ergibt einen hohen Wirkungsgrad dadurch, daß die Feldverteilung im zylindrischen Feldraum der der Oberflächenwelle praktisch gleichgemacht wird. Dies wird in diesem Ausführungsbeispiel durch Benutzung einer abstimmbaren Anregungsvorrichtung erreicht.

Wie aus dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel der Erfindung ersichtlich ist, besteht eine derartige Ankopplungsanordnung aus einem kurzen koaxialen Hohlrohr 1, dessen Mittelleiter 2 entweder mit dem Oberflächenwellenleiter 3 verbunden ist oder daß, wie gezeigt, dieser mit dem Oberflächenwellenleiter ein Stück bildet. Die Stirnwand 4 des Hohlrohrs 1 ist für die im Hohlrohr 1 erregte Oberflächenwelle durchlässig. Diese Durchlässigkeit kann dadurch erreicht werden, daß die Wand 4, wie Fig. 1 zeigt, aus einem

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)rahtgitter besteht oder daß geeignet verteilte Löcher der Schlitze vorgesehen werden.

In Fig. 3 ist Durchlässigkeit erreicht durch seglentförmige Ausgänge 51, die mit dem Draht 2 des )berflächenwellenleiters Kontakt haben, und in Fig. 4 urch kreisförmige Schlitze 5" geeigneter Breite und Verteilung.

Die durchlässige Wand kann auch aus einem Dilektrikum hoher Dielektrizitätskonstante oder Peraeabilität bestehen.

Der Durchmesser D des Hohlrohrs 1 ist im wesentichen gleich dem Durchmesser des Feldes der Oberlächenwelle.

Das koaxiale Hohlrohr kann als koaxialer Leitungs-.bschnitt betrachtet werden mit einem Innenleiter von [er Art, wie sie für Oberflächenwellenübertragung betutzt werden. Da der Außenleiter dieser Koaxialleiung einen sehr großen Durchmesser hat, der im vesentlichen gleich dem des Feldes der Oberflächenvelle ist, kann diese Leitung mehrere Wellentypen ibertragen. Die Grundtype ist praktisch gleich der vom Dberflächenwellenleiter übertragenen Oberflächenvelle. Wenn die elektrische Länge L des Hohlrohres ein Vielfaches der halben Wellenlänge der Grundwellen- :ype ist, hat das Hohlrohr eine Eigenschwingung, die ms dieser zwischen Vordenvand 4 und Rückwand 6 nehrfach reflektierten Wellentype besteht. Diese spezielle Eigenschwingung wird z. B. durch eine Koppelschleife 7 erregt, die über den Innenleiter 8 eines conzentrischen Kabels 9 mit einer (nicht abgebilieten) Energiequelle verbunden ist, deren Frequenz jleich oder angenähert gleich der Frequenz der gekannten speziellen Eigenschwingung ist. Die entsprechende Zylinderwelle" innerhalb des Hohlrohres 1, He. zwischen den Wänden 4 und 6 mehrfach reflektiert wird, dringt wenigstens teilweise durch die durchlässige Wand 4 und setzt ihren Weg längs des offenen Wellenleiters 3 fort.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Länge L des Hohlrohres sich von einem Vielfachen der halben Wellenlänge der Grundwellentype unterscheiden und das Hohlrohr, z. B. mittels einer verschiebbaren dielektrischen Scheibe 15', auf Resonanz abgestimmt werden. ^:

Mehrere Scheiben dieser. Art können benutzt werden, wenn das Hohlrohr in der Grundwellentype gleichzeitig bei zwei oder mehr Frequenzen Resonanz haben soll. Diese Frequenzen können im Hohlrohrl mittels zusätzlicher Koppelschleifen, wie sie in Fig. 1 bei 10 gezeigt sind, und durch Verbindung des konzentrischen Kabels 12, mit dem Innenleiter 11 mit einer oder mehreren anderen Energiequellen erregt werden, ohne von den Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Da die Wellen innerhalb und außerhalb des Hohlrohrs bezüglich ihrer Feldstruktur praktisch gleich sind, kann eine nahezu vollkommene Übereinstimmung der Felder erreicht werden.

Der zylindrische Teil 13, der Mantel des Hohlrqhrl, kann weggelassen werden, wenn die Wände4, 6 sehr groß sind. Dann wird das Hohlrohr ein sogenannter »offener Hohlraum«.

Es hat sich auch gezeigt, daß der Zylindermantel 13 durch Längsstreifen oder Leiter ersetzt werden kann, wie Fig. 2 bei 14,15,16 und 17 schematisch zeigt, so daß die wellendurchlässige Vorderwand 5 des Hohlraumes mit der reflektierenden Rückwand 18 längs ihres Umfanges verbunden ist.

Im wesentlichen kann das gleiche Ergebnis erzielt werden, wenn an Stelle der Verwendung der Resonanz

zur Erregung der Grundwellentype im koaxialen Hohlraum der Hohlraum so an einen Generator oder einen Empfänger angekoppelt wird, daß nur die Grundwellentype erregt wird. Die teilweise reflektierende Wand ist dann unnötig und der Hohlraum kann auf der dem Oberflächenleiter zugewandten Seite völlig offen bleiben.

In Fig. 5 ist annähernd maßstabgetreu eine Ankopplungsvorrichtung für eine Betriebsfrequenz von 500 MHz gezeichnet; sie zeigt ein Beispiel eines Hohlraumes mit selektiver Kopplung, der geeignet ist, nur die Grundtype des koaxialen Hohlraumes zu erregen. Der Hohlraum 18 ist an eine gewöhnliche Koaxialleitung 19 oder konische Koaxialleitung 19' gekoppelt, die mit dem Sender oder Empfänger verbunden ist.

Die Kopplung ist durch kreisförmige Schlitze 20, 20' und 20" in Fig. 5 in der metallischen Abschlußwand des Hohlraumes 18 hergestellt um eine radial symmetrische Erregung des Hohlraumes zu erreichen. Das gleiche kann mit geeignet verteilten Koppelschleifen, wie sie bei 7,10 in Fig. 1 gezeigt sind, die jedoch alle aus der gleichen Quelle gespeist werden., erreicht werden.

Allgemein besteht das im Hohlraum durch kreisförmige Schlitze erregte Feld aus der Grundschwingung und höheren Schwingungen der Type TM₀. Die TM₀-Typen haben magnetische Feldlinien, die Kreise um den Mittelleiter darstellen. Wenn jedoch die Schlitze an geeigneter Stelle sind, wird nur die Grundtype erregt.

Unter der Annahme, daß der Querschnitt des Hohlraumes 18 so bemessen ist, daß nur die erste der höheren TM₀-Wellentypen möglich ist, wird das Magnetfeld dieser Type in einer gewissen Entfernung T₁ von der Achse Null {s. Fig. 5). Wenn nur ein Koppelschlitz, z. B. 20 in Fig. 5, verwendet wird und dieser einen mittleren Radius der Größe T₁ hat, sind die konzentrische Leitung 19 oder 19' und der Hohlraum 18 für höhere Wellentypen entkoppelt. Die von der konzentrischen Leitung 19 oder 19' an den Hohlraum 18 übertragene Energie wird vollständig in die Grundwellentype des Hohlraumes umgesetzt.

Unter der Annahme, daß die Querschnittsabmessungen des Hohlraumes 18 die Fortpflanzung der ersten und zweiten höheren TM₀-Wellentype gestatten, hat die zweite höhere TM_a-Type zwei Nullstellen des magnetischen .Feldes, z. B. im Abstand T₁ bzw. r₂. Wenn die Koppelschlitze 20' und 20" verwendet werden (unter Weglassung des Schlitzes 20) und ihre Radien mit den Nullstellen dem magnetischen Feldes der zweiten höheren TM₀-Type übereinstimmen, so wird diese Wellentype nicht erregt. Grundsätzlich würde jeder der beiden Schlitze 20' und 20" für sich allein die Erregung der ersten höheren TM₀-Wellentype zulassen.

Da jedoch das Magnetfeld dieser Type an den Stellen der Schlitze 20' und 20" entgegengesetzt ist, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Spannung an diesen Schlitzen so eingestellt werden, daß die Erregung dieser Type kompensiert wird. Auf diese Weise geht die von der Leitung 19, 19' durch die Schlitze 20' und 20" tretende Energie vollständig in die Grundwellentype des Hohlraums über und wird längs des Oberflädienwellenreiters weitergeleitet.

Wenn drei oder mehr Schlitze geeigneter Radien verwendet werden, kann die Erregung aller höheren Wellentypen verhindert werden. In der Praxis werden im allgemeinen die Abmessungen des Hohlraums nur

Claims

die Fortpflanzung der ersten Type oder der ersten und zweiten höheren Type zulassen. Die Spannungen an den Schlitzen können mittels Parallelkapazitäten eingestellt werden, z. B. dadurch, daß ein Metallring 22, der auf einer Seite der Wand dem Schlitz genähert werden kann, auf irgendeine AVeise angebracht wird. Wenn der Durahmesser des Feldes der Oberflächenwelle sehr groß ist, kann es unzweckmäßig sein, den Durchmesser des Hohlraumes entsprechend groß zu machen. Gemäß einem, weiteren erfinderischen Merkmal können die Hohlräume der in Fig. 1, 2 und 5 gezeigten Art einen kleinerem Durchmesser erhalten und das Feld, das an den Oberflächenwellenleiteir abgegeben wird, allmählich ausgedehnt werden, und zwar entweder gemäß Fig. 6 mittels eines vom Hohlrohr 24 ausgehenden trichterförmigen Abschnitts 23 oder, wie in Fig. 7 schematisch gezeigt, mittels zylindrisch oder konisch angeordneter, spitz zulaufender, leitender Verlängerungen 25 einer zylindrisehen Hohlraumwand 26, die eine allmähliche Ausweitung des anregenden Feldes ergeben. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die gezeigten und beschriebenen Abmessungen, Ausführung, Form, Material und Anordnung. Patentansprüche.

1. Anordnung zur Ankopplung einer Obernächenwellenleitung an eine koaxiale Speiseleitung, deren Übergang zur Oberflächenwellenleitung durch Zwischenschaltung eines im wesentlichen zylindrischen Feldraumes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kopplungsbereiche des zylindrischen Feldraumes mit der Speiseleitung nur über einen kleinen Teil des Querschnitts des zylindrischen Raumes erstrecken.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des zylindrischen Feldraumes in solcher Weise erfolgt, daß sich praktisch nur die Grundwelle in diesem Raum ausbildet.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Feldraum durch eine koaxiale Leiteranordnung gebildet wird, deren Inneruleiter mit dem Oberflächen-Wellenleiter zusammenfällt und deren Außenleiter einen so großen Durchmesser hat, daß die Grundwelle des zylindrischen Raumes angenähert mit der Oberflächenwelle übereinstimmt.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle durch Resonanz gegenüber den anderen Schwinigungsformen hervorgehoben bzw. ausgesiebt wird.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Raum gegenüber der Oberflächenwellenleitung durch eine verhältnismäßig stark reflektierende Wand abgegrenzt ist, die nur einen Bruchteil der Grundwelle auf die Oberflächenwellenleitung übertreten läßt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der reflektierenden Wand von derjenigen Wand, an der die Kopplung mit der Speiseleitung erfolgt, ungefähr ein Vielf aches der halben Grundwelle beträgt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle durch eine geeignete Ankopplung des zylindrischen Raumes an die Speiseleitung hervorgehoben wird,

wobei die anderen Schwingungsformen durch diese Ankopplung unterdrückt werden.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdrückung der unerwünschten Schwingungsformen durch geeignete Verteilung der Kopplungsöffnungen erfolgt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrischen Raumes so klein gehalten ist, daß nur eine oder zwei der höheren Wellentypen auftreten können.

10. Anordnung gemäß Anspruch 1, worin der Feldraum gegenüberliegende, zum Oberflächenwellenleiter im wesentlichen senkrecht stehende Seitenwände, und Mittel zur Erregung von Zylindefwellen zwischen den Seiten wänden mit mehrfacher Reflexion zwischen diesen hat, wobei der Durchmesser der Seitenwände groß genug ist, um mindestens eine der Eigenschwingungen des Feldraumes zu erzeugen.

11. Anordnung gemäß Anspruch 10, worin die Mittel zur Erregung mindestens eine Koppelsahl eife und mindestens eine hiermit verbundene Energiequelle, deren Frequenz im wesentlichen gleich der Frequenz der Eigenschwingungen ist, umfassen, wobei eine der Seitenwände wenigstens teilweise durchlässig für die Schwingungen ist, um ihre Fortsetzung längs des Oberflächenwellenleiters zu ermöglichen.

12. Anordnung gemäß Anspruch 10, worin die Seitenwände groß genug sind, um wenigstens Teile des die gegenüberliegenden Seitenwände verbindenden Feldraumes wegzulassen.

13. Anordnung gemäß Anspruch 10, worin die gegenüberliegenden Seitenwände groß genug sind, um elektrisch getrennt zu sein.

14. Anordnung gemäß Anspruch 10, worin die gegenüberliegenden Seitenwände durch voneinander getrennte, an den Seitenwänden längs ihres Umfangs angebrachte Elemente elektrisch verbunden sind.

15. Anordnung gemäß Anspruch 14, worin die gegenüberliegenden Seitenwände durch eine Anzahl langgestreckter, längs des Umfangs der Seitenwände in regelmäßigen Abständen abgeordneter Leiter elektrisch miteinander verbunden sind.

16. Anordnung gemäß Anspruch 1, worin die Länge des Hohlraums nicht gleich einem Vielfachen der halben AVellenlänge der Grundwellentype gewählt ist, und die mindestens eine innerhalb des Feldraumes in axialer Richtung verschiebbare dielektrische Scheibe hat.

17. Anordnung gemäß Anspruch 1, die mehrere innerhalb des Feldraumes in axialer Richtung verschiebbare dielektrische Scheiben enthält.

18. Anordnung gemäß Anspruch 1, worin die Vorderseite des Feldraumes offen und die Rückseite an eine koaxiale Leitung gekoppelt ist, wobei die Koppelfläche an der Rückseite mit öffnungen versehen ist, die radialsymmetrische Erregung des Feldraumes bewirken.

19. Anordnung gemäß Anspruch 1 mit mindestens einem kreisförmigen Schlitz in der Rückwand des Feldraumes.

20. Anordnung gemäß Anspruch 19 mit mehreren kreisförmigen Schlitzen in der Rückwand des Feldraumes, wobei die Schlitze so angeordnet sind, daß nur die Grundschwingung angeregt wird.